土力学与地基基础3.土中水的渗透规律

第三章土中水的渗透规律
1.概述
2.达西定律
3.渗透系数的测定
4.渗透作用对土的影响
第一节概述
渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。

土具有被水透过的性能称为土的渗透性。

土的渗透性问题，一方面是指由于水的渗透引起水头损失或基坑积水，影响工程效益和进度；另一方面将引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。

加州沃森维尔附近的野外涌沙
堤坝溃决
第二节Darcy定律
一、渗流模型
考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，为便于分析问题，在进行渗流分析时就将土体复杂的渗流作出如下的简化：
1.不考虑路径的迂回曲折，只是分析它的主要流向；
2.不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间
之和均为渗流所充满。

作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，被称为渗流模型。

一、渗流模型
为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：
⑴在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；
⑵在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；
⑶在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。

一、渗流模型
渗流模型与真实渗流中流速的关系：
=n
v/v
式中：v-渗流模型的平均流速
v
-真实流速
n-土体的孔隙率
因为n<1.0，所以v<v
二、达西（Darcy）定律
由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流
著名的达西渗透定律：
渗透速度：v=ki (m/s)
渗透流量：q=kiF (m3/s)
K-渗透系数，m/s
i-水头梯度（或水力坡度、水力坡降），i=△H/L
达西（Darcy）定律的适用条件 (1)只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律,故
达西定律也称作土的层流渗透定律。

一般中砂、细砂、粉砂等细颗粒土中水的流速满足层流条件。

(2)对于渗透系数很小的粘土，存在起始水头梯度i0,故
)
达西定律修正为v=k(i-i
第三节渗透系数的测定渗透系数K的大小是直接衡量土的
透
水性强弱的一个重要的力学性质标，
K大土的透水性强，K小土的透水性弱。

一、实验室内测定渗透系数
1.常水头法：适用于透水性大的粗颗
粒土。

是在整个试验过程中，水头
保持不变。

第三节渗透系数的测定二、变水头法：适用于渗透
系数较小的细砂及粉砂。

在整个试验过程中，水头
是随着时间而变化的。

第三节渗透系数的测定三、现场抽水试验
由于取得原状土样会
有扰动影响，或者当土样
不能反映天然土层的层次
或土颗粒排列情况时，那
么，从现场试验得到的渗
透系数会比室内试验更能
反映水在土体中的渗流的
实际情况。

例题
为了测定地基的渗透系数，在地下水的流动方向相隔10m挖了两个井，由上游井中投入食盐，在下游井连续检验，经过13小时后，已知食盐流到下游井中，试算出该地基的渗透系数。

第四节成层土的渗透系数
1.水平渗流
第四节成层土的渗透系数
2.竖直向渗流
第五节影响土的渗透性的因素
一、土的粒度成分及矿物成分
二、结合水膜的厚度
三、土的结构构造
四、水的粘滞度
第五节影响土的渗透性的因素
五、土中气体
第六节渗透作用对土的影响
一、渗透力
单位体积内土骨架所受到的水推力称为渗透力（或动水压力）。

G D=γw i (kN/m3)
方向与渗流方向一致
二、流砂、管涌现象
1.流砂：在向上的渗透水流作用下，土颗粒之间的压力等于
零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定的现象。

位置：土体表面渗流逸出处
土质：细砂、粉砂及轻亚粘土
:
临界水头梯度i
cr
二、流砂、管涌现象
2.管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。

管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生于土体内部。

例题
某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后，实测水位情况如图示。

据场地勘察报告提供：
细砂层饱和重度Υsat =18.7KN/m 3，渗透系数
k=4.5×10-2mm/s ，试求渗透水流的平均水头梯度i 、渗透速度v 、渗透水流动水力G D ，并判别是否会产生流砂现象。

作业
P56 1
P57 3：
第⑴问补充条件：图3-18中h=10cm
第⑵问提示：先根据V
S =1按三相图推求土样的
浮重度Υ′，然后计算临界水头梯度i
cr
，最后根据出现流砂的条件计算所需水头差。